Univerzita Pardubice Dopravní fakulta Jana Pernera Hybridní posunovací lokomotiva Bc. Tomáš Černohorský 2009
Prohlašuji: Tuto práci jsem vypracoval samostatně. Veškeré literární prameny a informace, které jsem v práci využil, jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Byl jsem seznámen s tím, že se na moji práci vztahují práva a povinnosti vyplývající ze zákona č. 121/2000 Sb., autorský zákon, zejména se skutečností, že Univerzita Pardubice má právo na uzavření licenční smlouvy o užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona, a s tím, že pokud dojde k užití této práce mnou nebo bude poskytnuta licence o užití jinému subjektu, je Univerzita Pardubice oprávněna ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které na vytvoření díla vynaložila, a to podle okolností až do jejich skutečné výše. Souhlasím s prezenčním zpřístupněním své práce v Univerzitní knihovně. V Sudicích dne 19. 5. 2009 Bc. Tomáš Černohorský
Poděkování Rád bych poděkoval kolektivu pedagogů Dopravní fakulty Jana Pernera za trpělivý přístup při předávání znalostí a zkušeností v průběhu mého celého studia, vedoucímu práce Ing. Jiřímu Štěpánkovi za poskytování cenných rad a podkladů při zpracovávání diplomové práce a také Ing. Matěji Páchovi ze Žilinské Univerzity v Žilině za konzultace k dané problematice. Poděkování patří také mé rodině, která mi materiální a morální podporou umožnila vysokoškolské studium, tvorbu diplomové práce i přípravu na státní závěrečné zkoušky.
TITUL Hybridní posunovací lokomotiva ANOTACE Práce se zaměřuje na problematiku hybridního pohonu posunovacích lokomotiv. Uvádí přehled možných typů akumulátorů energie a aplikací hybridního pohonu v kolejové technice. Zabývá se návrhem trakčního obvodu hybridního pohonu, výběrem vhodného akumulátoru energie, konstrukčním zabudováním a návrhem součinnosti zdrojů energie v provozu. V závěru jsou návrhy porovnány s konvenčními lokomotivami. KLÍČOVÁ SLOVA hybridní pohon, posunovací lokomotiva, akumulace energie, trakční obvod TITLE Hybrid shunting locomotive ANNOTATION The work focuses on the problems hybrid propulsion of shunting locomotives. It presents overview of available energy accumulators and applications of hybrid propulsion in a railway technics. The work deals with design of a traction circuit, choice of a suitable energy accumulator, constructional installation and design of a cooperation of devices in a service. The proposed designs are compared with conventional locomotives at the end of the work. KEYWORDS hybrid propulsion, shunting locomotive, energy storage, traction circuit
Obsah 1 Úvod...9 2 Důvody vedoucí k zavádění hybridního pohonu...10 2.1 Ekonomika provozu...10 2.2 Ekologie provozu...10 3 Koncept hybridního pohonu...13 3.1 Uspořádání hybridních pohonů...14 3.2 Sériové uspořádání...15 3.3 Paralelní uspořádání...16 3.4 Kombinované uspořádání...17 4 Akumulátory energie...18 4.1 Elektrochemická akumulátorová baterie...18 4.2 Setrvačník...22 4.3 Superkapacitor...24 4.4 Hydraulický akumulátor...26 4.5 Porovnání jednotlivých typů akumulátorů energie...27 5 Přehled aplikací hybridního pohonu...28 5.1 ČKD posunovací lokomotiva TA436.0 (718)...28 5.2 RailPower lokomotivy GreenGoat a Green Kid...30 5.3 Bombardier systém MITRAC...32 5.4 Hitachi motorové vozy NE Train a KIHA E200...34 5.5 Alstom motorová jednotka LIREX Experimental...35 5.6 General Electric Evolution Hybrid locomotive...35 5.7 Voith systém HydroBrid...36 5.8 MTU hybrid powerpack...36 6 Elektrodynamické rekuperační brzdění...37 6.1 Cize buzená elektrodynamická brzda...37 7 Výběr vhodného vozidla na modernizaci ř. 740...39 7.1 Technické parametry lokomotivy řady 740...40 7.2 Analýza provozu lokomotivy řady 740...41 8 Základní parametry rekonstrukce...43 8.1 Výkonová rozvaha...43 8.2 Trakční uspořádání...44 8.3 Prvky trakčního obvodu...45 9 Řešení trakčních obvodů varianta A...47 9.1 Dimenzace trakčních zařízení...48 9.2 Navržené parametry varianty A:...51-7 -
9.3 Konstrukční řešení...52 9.4 Provoz hybridního pohonu...54 9.5 Trakční charakteristiky...55 10 Řešení trakčních obvodů varianta B...59 10.1 Dimenzace trakčních zařízení...60 10.2 Navržené parametry varianty B posunovací lokomotivy:...63 10.3 Konstrukční řešení...63 10.4 Provoz hybridního pohonu...64 10.5 Trakční charakteristiky...68 11 Zhodnocení a srovnání...71 11.1 Porovnání s konvenčními rekonstrukcemi...71 11.2 Zhodnocení variant...74 12 Závěr...76 13 Literatura...77-8 -
1 Úvod Provoz vozidel je v dnešní době především určován dvěma základními aspekty, ekologií a ekonomikou provozu. Ekologie provozu je ovlivňována politickým vývojem ve světě, který byl určen mezinárodní smlouvou z Kjóta. Země, které Kjótský protokol ratifikovaly, se zavazují ke snižovaní emisí skleníkových plynů. Je tedy vyvíjen tlak na výrobce vozidel, aby snižovali u nově vyráběných vozidel produkci škodlivin. Druhý z aspektů je výrazně ovlivňován cenou pohonných látek na trhu, která se v posledním desetiletí výrazně zvýšila. Z těchto důvodů i dopravci hledají cesty jak snížit energetickou náročnost provozu hnacích vozidel, tedy především snížením spotřeby pohonných látek, které tvoří největší část nákladů na jejich provoz. Jedná se také o spotřebu neobnovitelných zdrojů energie, proto je zde v tomto směru vyvíjen i politický tlak. Z výše uvedených důvodů se začínají ve výrobě kolejových a především silničních vozidel prosazovat hybridní vozidla. Tento termín označuje vozidlo, pro jehož pohon je využíváno několika, ve většině případů dvou, odlišných zdrojů energie, z nichž je jeden schopen ukládat rekuperovanou energii vznikající při brzdění. Důvody, proč je hybridní vozidlo jedním z řešení ekonomických a ekologických požadavků, jsou následující: Snižuje cenu dopravy. Snižuje spotřebu fosilních paliv. Snižuje množství produkovaných exhalací do ovzduší. Myšlenka kombinace více zdrojů energie ve vozidle je velmi stará. Z počátku se uplatňovala především v silniční dopravě. V tomto odvětví se využívalo výhod tehdy relativně dokonalého elektrického pohonu a velmi nedokonalého spalovacího Ottova motoru. První takto vybavený automobil byl navržen již v roce 1899 americkým konstruktérem A. J. Allenem. V roce 1905 si nechal inženýr H. Piper takovýto koncept patentovat. Přes veškerou snahu o zvýšení výkonu vozidla tímto způsobem se tento směr neprosadil. Akumulátorové baterie na uchování energie byly velmi nedokonalé a po zdokonalení spalovacího motoru se vývoj hybridních automobilů dostal do pozadí. V železniční dopravě se první použití více zdrojů energie datuje do období druhé světové války, kdy ve Švýcarsku z důvodu potřeby úspory uhlí byly některé parní lokomotivy upraveny na odebírání energie z trolejového vedení. Dnes je používání hybridního řešení pohonu v železniční dopravě, obdobně jako u automobilové dopravy, prozatím okrajovou záležitostí, a to především z vysokých pořizovacích nákladů. Tento stav se však dle posledního vývoje na trhu s železničními vozidly začíná měnit a do koncepce hybridního pohonu je vkládáno mnoho nadějí na zefektivnění provozu některých typů hnacích vozidel. - 9 -
2 Důvody vedoucí k zavádění hybridního pohonu 2.1 Ekonomika provozu V posledních desetiletích dochází trvalému nárůstu cen pohonných hmot, což má za následek výrazné navyšování provozních nákladů vozidel. Tento fakt se dále promítá do cen přeprav, které jsou nabízeny zákazníkům. Na tomto pomyslném poli dochází ke střetu nabídek jednotlivých dopravců. Proto se výrobci snaží vyhovět požadavkům dopravců na nižší provozní náklady vozidel a nalézt cestu ke snížení spotřeby paliva. Trvalý nárůst cen benzínu a nafty není zapříčiněn jen vlivem inflace. Především se jedná o zdražování z důvodu geopolitické situace v Íránu, Iráku a Nigérii. Vývoj kulminoval na jaře roku 2008, kdy ceny dosahovaly vrcholu. Následně došlo k mírnému propadu cen, které se v roce 2009 drží na konstantní hodnotě především díky dopadům globální ekonomické krize. Uvedené ceny (Obr. 1) benzínů a nafty jsou průměrné roční hodnoty vycházejících z dat ČSÚ a Celní správy [ 6 ]. Obr. 1 Vývoj cen pohonných hmot do roku 2006 (zdroj: Celní správa) 2.2 Ekologie provozu Doprava je jedním z významných znečišťovatelů životního prostředí v České republice, především v městských zástavbách. Největším producentem exhalací je silniční doprava (individuální, nákladní i veřejná). Její podíl na emisích z dopravy po r. 1989 přesáhl 90 %. Zatímco exhalace z železniční, vodní a letecké dopravy jsou soustředěny na nepočetných trasách, exhalace z automobilů znečišťují prakticky celé území, zejména městské zástavby. Odhaduje se, že celosvětově dosahuje produkce emisí škodlivin z výfukových plynů dopravních prostředků až na 10 miliard m 3 každý rok. I přes zlepšování účinnosti spalování motorů a následnému čistění zplodin, dochází k trvalému nárůstu množství emisí, které je zapříčiněno především narůstajícím počtem dopravních prostředků. Dopravní prostředky produkují především emise NOX, CO a CO2 (20 40 % celosvětové produkce). Závažné - 10 -
zdravotní dopady mají emise karcinogenních pevných částic PM, kterých je doprava v městských zástavbách často dominantním zdrojem [ 6 ]. Trend ve vývoji emisí se v posledních letech nijak nemění (viz Obr. 2). Jde o trvalý růst emisí skleníkových plynů (CO2) a pokles limitovaných emisí, tj. zejména oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků. Největším problémem jsou emise PM, které vykazují meziroční nárůsty. V případě PM bilance emisí z dopravy zahrnuje pouze výfukové emise, nejsou zahrnuty emise vzniklé otěrem pneumatik a z brzdového obložení ani tzv. sekundární prašnost. Při celkovém hodnocení vlivu dopravy na životní prostředí se posuzují emise následujících škodlivin: CO oxid uhelnatý CO2 oxid uhličitý N2O oxid dusný NOX ostatní oxidy dusíku SO2 oxid siřičitý VOC prchavé organické látky PM karcinogenní prachové částice Vliv jednotlivých druhů dopravy na celkové znečistění životního prostředí můžeme porovnat s použitím emisi CO2 na Obr. 3. Zde má dominantní postavení silniční doprava, jelikož její podíl na produkci činí více než 90 %. Avšak tento podíl je způsoben z velké části dominantním postavením silniční dopravy v přepravních výkonech. Je zde potřeba taktéž poznamenat, že do statistik není zahrnut podíl emisí z elektrické trakce železniční dopravy. Předcházející skutečnosti vedly v mezinárodní politické rovině k přijetí Kjótského protokolu. Toto přijetí znamená významný pokrok v ochraně životního prostředí. Státům ukládá, aby do prvního kontrolního období (2008 2012) snížily jednotlivě nebo společně emise skleníkových plynů nejméně o 5,2% v porovnání se stavem v roce 1990. Dále Evropské společenství přistoupilo k zavádění nových emisních limitů Stage IIIA pro spalovací motory drážních vozidel, které dále zpřísňují produkci emisí (viz Tab. 1). Na Obr. 4 je znázorněn vývoj emisních limitů NOX pro železniční vozidla. Z grafu je zřetelné sjednocení americké normy EPA Tier 3 a evropské EC Stage IIIA a také budoucí další zpřísňování emisních norem drážních spalovacích motorů normou Stage IIIB [ 23 ]. Tab. 1 Stage III A Standardy pro spalovací motory železničních vozidel Kat. Výkon Datum CO HC HC+NOX NOX PM [kw] (od) [g/kwh] RC A 130 < P < 560 1.1.2007 3,5-4,0-0,2 RL A 560 < P < 2000 1.1.2009 3,5 0,5 4,0 6,0 0,2 RH A > 2000 1.1.2009 3,5 0,4 4,0 7,4 0,2-11 -
Obr. 2 Index vývoje emisí z dopravy (zdroj: CDV) Obr. 3 Měrné emise CO2 podle druhů dopravy (zdroj: CDV) Obr. 4 Vývoj emisních limitů NOX (normy UIC, EPA, EC) - 12 -
3 Koncept hybridního pohonu Dosažení ekonomických a ekologických úspor pomocí hybridního pohonu se děje uchováváním energie vznikající při brzdění. U vozidel se spalovacím motorem také použitím typů motorů o menším výkonu, které obvykle mají menší měrnou spotřebu paliva. Na příkladu na Obr. 5 můžeme vidět základní princip funkce hybridního pohonu. Při brzdění vozidla se energie získaná přeměnou z energie kinetické uchovává. Následně může být tato energie využita například pro zvýšení akcelerace při rozjezdu nebo také v případě kdy už výkon hlavního zdroje energie nedostačuje k udržení potřebného zrychlení. Po dosažení maximální rychlosti, kdy výkon primárního zdroje energie je vyšší, než-li je výkon potřebný k pokrytí odporu z jízdy vozidla, je možno energii vznikající přebytkem výkonu ukládat. Uložená energie může sloužit i k dalšímu použití než jen ke zvyšování výkonu vozidla při rozjezdu. Pokud je vozidlo vybaveno systémem start/stop spalovacího motoru, který vypíná spalovací motor při stání vozidla, využívá se uložená energie k napájení pomocných pohonů vozidla. Tímto systémem se výrazně sníží spotřeba paliva a také sníží emise hluku do okolí při stání vozidla, což je také výrazný přínos k dosažení ekologického provozu. Další otázkou je nastavení součinnosti primárního zdroje se zdrojem akumulované energie. Jednou z možností, jak už bylo výše popsáno, je použití akumulované energie až při nedostatku výkonu primárního agregátu, čímž špičkově zvyšujeme výkon vozidla. Druhou možností je ve vozidlech se systémem start/stop použití akumulované energie k rozjezdu vozidla, kde je spalovací motor uveden do chodu až při dosažení určité rychlosti. Obr. 5 Graf vývoje jednotlivých veličin v průběhu jízdy hybridního vozidla (V rychlost, T trakční síla, P výkon, E energie akumulátoru) - 13 -
3.1 Uspořádání hybridních pohonů Hybridní pohony můžeme rozdělit do několika kategorií podle funkce sekundárního zdroje energie v pohonu vozidla [ 1 ]: Micro hybrid primární zdroj pro pohon vozidla, sekundární zdroj pouze pro pohon pomocných pohonů (příslušenství). Mild hybrid (mybrid) primární zdroj pro pohon vozidla, sekundární zdroj umožňuje rekuperaci brzdné energie, je využíván k pohonu pomocných pohonů a k zvyšování výkonu vozidla. Plný hybrid oba dva zdroje jsou používány k pohonu vozidla (samostatně či v součinnosti). Obvykle je primární zdroj založen na čerpání energie z fosilních paliv, zatímco sekundární disponuje energií, jež může být získána třemi základními způsoby ze zdroje na fosilní paliva, uchováním energie vznikající při brzdění nebo z externího stacionárního zdroje. Hybridní pohony mohou mít různé upořádání prvků v energetickém toku pohonu. Odlišné uspořádání pohonů se užívají z důvodu použití různých přenosů výkonu. Dva základní řetězce uspořádaní hybridního pohonu jsou sériový a paralelní, popř. třetí kombinovaný. Téměř bez ohledu na uspořádání pohonu můžeme při sestavování hybridního pohonu vybírat zdroje energie a typ přenosu výkonu z několika základních variant [ 1 ]. Motor (primární zdroj / sekundární zdroj) Spalovací motor Palivové články Plynová turbína Energie z trolejového vedení Akumulátor energie (sekundární zdroj) Elektrochemická akumulátorové baterie (různých typů) Setrvačník Superkapacitor Hydraulický akumulátor Přenos trakčního výkonu (použitelné v hybridním pohonu) Elektrický Hydraulický Mechanický Smíšený (hydromechanický, elektromechanický aj.) - 14 -
3.2 Sériové uspořádání Tento typ uspořádání byl vyvinut v roce 1970 pro elektrické vozidlo, kterému spalovací motor zvyšoval akční rádius. Uspořádání tohoto typu je tedy především vhodné pro vozidla s elektrickým přenosem výkonu. Na Obr. 6 je zobrazeno sériové uspořádání typické pro hybridní vozidla s diesel-elektrickým přenosem výkonu. Tok energie v přenosu výkonu vozidla je znázorněn šipkami. Spalovací motor zde pohání generátor, který dodává energii do akumulátoru a trakčního motoru. Veškerá trakční energie je tedy převáděna elektrickou cestou V praxi se k pohonu vozidla využívá jednoho či více trakčních motorů dle konstrukce vozidla. Akumulátor energie plní funkci podle typu hybridního pohonu. U mybridu slouží pouze k zvyšování výkonu vozidla, popř. napájení pomocných pohonů, naopak u plně hybridního vozidla může být použit jako jediný zdroj výkonu. V tomto uspořádání motor prostřednictvím generátoru doplňuje energii do akumulátoru přerušovaně a tedy spalovací motor může pracovat vždy v optimálním pracovním bodě. Je tedy možné použít spalovacího motoru, jehož jmenovitý výkon bude výrazně nižší oproti konvenčnímu provedení vozidla. Přesné dimenzování se však především odvíjí od použitého akumulátoru energie a provozního nasazení vozidla. Obr. 6 Sériové uspořádání pohonu (přenos energie: černá mechanicky, červená elektricky) Při rekuperačním brzdění pracuje trakční motor jako generátor, jenž ukládá získanou energii do akumulátoru energie. Zde leží základní problém obecné myšlenky hybridního vozidla, jelikož záleží na schopnosti akumulátoru, jaké procento z rekuperované energie je schopen uložit. To velmi záleží na typu použitého akumulátoru energie. V kolejové dopravě bývá sériové zapojení využíváno nejčastěji a to z důvodu relativně snadného zabudování do hnacích vozidel s elektrickým přenosem výkonu. Výhodou elektrického přenosu je jeho velmi dobrá regulace s trakční charakteristikou ve tvaru trakční hyperboly, naopak nevýhodou je jeho větší hmotnost a relativně nižší účinnost oproti jiným druhům přenosu, která je dána dvojitou přeměnou energie v řetězci přenosu výkonu. - 15 -
3.3 Paralelní uspořádání Paralelní uspořádání je používáno výhradně u vozidel poháněných spalovacím motorem s převodovkou. Jeho použití je tedy oproti sériovému uspořádání velmi rozšířeno v konstrukci automobilů. K pohonu hybridního vozidla s tímto uspořádáním pohonu je využíváno spalovacího motoru i elektromotoru (zvlášť či současně). Oba tyto motory jsou mechanicky propojeny převodovkou, která se u železničních vozidel nejčastěji používá hydrodynamická, popř. hydromechanická. Narozdíl od sériového zapojení se tedy jedná při zabudování hybridního pohonu o zásadní zásah do konstrukce přenosu výkonu vozidla. Mechanické propojení spalovacího motoru a elektromotoru dovoluje plnit elektromotoru hned několik následujících funkcí: startér spalovacího motoru, zvyšování výkonu spalovacího motoru, popř. funkce jediného zdroje výkonu, funkce generátoru při rekuperaci brzdné energie, pohon pomocný pohonů. Obr. 7 Schéma paralelního uspořádání pohonu (přenos energie: černá mechanicky, červená elektricky) Obdobně jako u sériového uspořádání je možno u těchto vozidel spalovací motor dimenzovat s cca o 60 % menším výkonem v závislosti na typu vozidla a typu použitého akumulátoru energie. Ve všech konstrukčních řešeních nemusí být součástí paralelního pohonu elektromotor. V návrhu hybridního pohonu firmy Voith, která se výhradně zabývá hydraulickým přenosem výkonu, je použito hydraulického akumulátoru energie v součinnosti s hydrostatickým motorem. Přestože se v dnešní době v železniční oblasti nevyužívá toto paralelní uspořádání tolik jako sériové, má své opodstatněné výhody: vhodné pro rekonstrukci vozidel s hydrodynamickou (mechanickou) převodovkou, možnost využití jakéhokoliv typu akumulátoru energie, relativně vyšší účinnost přenosu výkonu vozidla oproti elektrickému přenosu. - 16 -
3.4 Kombinované uspořádání Myšlenka kombinovaného uspořádání vznikla na základě elektromechanického přenosu výkonu, který kombinuje nejlepší vlastnosti obou přenosů, tj. výbornou možnost regulace elektrického přenosu a vysokou účinnost mechanického přenosu. Je tedy už z principu očekávána vyšší účinnost než u elektrického přenosu. Elektromechanický přenos výkonu si nechal patentovat dne 25.2.1936 Josef Sousedík, konstruktér přenosu výkonu na motorovém voze řady M 290 Slovenská strela. Dalším výzkumem a aplikací tohoto přenosu výkonu v hybridních vozidlech se v současnosti zabývají na ČVUT v Praze [ 12 ]. Obr. 8 Kombinované uspořádání pohonu (přenos energie: černá mechanicky, červená elektricky) Základním prvkem tohoto uspořádání je elektrický dělič výkonu, kterým je elektrický stroj s rotujícím rotorem a statorem. Výhodou tohoto uspořádání je opět, stejně jako u sériového uspořádání, zachování ideálního pracovního bodu spalovacího motoru. Rotor je spojen s hřídelí spalovacího motoru. Hnací moment spalovacího motoru se přes vzduchovou mezeru přenáší elektromagnetickými silami na stator. Při rozjezdu vozidla, když je jeho rychlost ještě nulová, se celý výkon spalovacího motoru přeměňuje v elektrickém děliči výkonu na elektrický výkon. V době, kdy vozidlo zrychluje, klesají rozdílové otáčky mezi rotorem a statorem děliče, snižuje se tedy přenos energie elektrickou cestou, naopak úměrně tomu stoupá podíl přenosu mechanicky. Výsledkem je snižování toku energie elektrickou cestou, resp. ztrát v elektrických strojích a tím zvýšení účinnosti celého přenosu [ 8 ]. Akumulační prvek je připojen na elektrickou větev přenosu. Pokud bychom zrušili mechanickou vazbu mezi děličem výkonu a trakčním motorem, jednalo by se o čistě sériové zapojení. Tento typ uspořádání je vhodný pro stupeň hybridizace vozidla mybrid. Kdy akumulátor energie zvyšuje výkon a ukládá rekuperovanou energii. Na experimentálním stavu ČVUT je použito superkapacitoru jako akumulátoru energie. - 17 -
4 Akumulátory energie Akumulátor je technické zařízení na opakované uchovávání energie. Do tohoto zařízení je tedy nejprve nutné energii vložit, poté je možno teprve energii čerpat nazpět. V dopravní technice je v současnosti nejvíce využívaným akumulátorem energie akumulátorová baterie, fungující na elektrochemickém principu. Dále se v některých zařízeních (např. UPS záložní zdroj) používají mechanické akumulátory setrvačníky. Velmi se rozvíjejícími akumulátory jsou superkapacitory pracující na elektrostatickém principu a posledním nejméně používaným je hydrostatický akumulátor energie. Další typ akumulátorů SMES supravodivý magnetický akumulátor se v dopravních systémech zatím nevyužívá. Pro využití v dopravní technice jsou zapotřebí akumulátory s vysokým měrným výkonem a energií. Dále je požadována vysoká schopnost akumulování maxima rekuperované brzdné energie, dlouhá životnost, teplotní nezávislost a snadná recyklace. Skloubit všechny tyto potřebné vlastnosti do jednoho typu akumulátoru energie je však nemožné, proto je vždy nutné vybrat nejvýhodnější variantu. 4.1 Elektrochemická akumulátorová baterie Nejstarším a nejběžnějším typem akumulátorů jsou elektrochemické akumulátorové baterie. Pracují na elektrochemickém principu, tudíž procházející proud vyvolá vratné chemické změny, které se projeví rozdílným elektrochemickým potenciálem na elektrodách akumulátoru. Z elektrod se následně dá čerpat na úkor těchto změn elektrická energie zpět. Protože jsou napětí na článcích elektrochemických baterií relativně malá (okolo 1,2 3,7 V), jsou tyto články sdružovány do sériových zapojení pro dosažení vyššího napětí. Pro využití v hybridních pohonech se elektrochemické akumulátory vyznačují nízkým měrným výkonem a dlouhými nabíjecími časy způsobenými zdlouhavou elektrochemickou přeměnou. V současné době máme možnost výběru z více druhů elektrochemických akumulátorových baterií. V následujících podkapitolách jsou uvedeny základní charakteristiky dnes nejpoužívanějších typů elektrochemických akumulátorových baterií [ 22 ]. 4.1.1 Olověné akumulátorové baterie (Pb-PbO2) Existence tohoto typu baterie se datuje od roku 1850. Díky své jednoduchosti byly tyto baterie v minulosti masově produkovány a jsou tudíž nejrozšířenějším typem baterií. Omezení olověného akumulátoru spočívá v tom, že v případě setrvání po delší dobu ve stavu i částečného vybití, dochází na elektrodách k prakticky nevratným změnám tzv. sulfataci, která výrazně snižuje kapacitu baterie. Nejnovějším typem jsou ventilem řízené olověné baterie (VRLA). Jedná se o zapouzdřené akumulátory se zamezením ztrát elektrolytu. Jedním z typů této baterie je typ, kde je elektrolyt zahuštěn do formy gelu, tzv. gelové olověné baterie. - 18 -
Konvenčně vyráběné olověné baterie jsou konstruovány na vysoký výkon (více než 750 W/kg) a jsou často upřednostňovány z důvodu své nízké výrobní ceny, vysoké bezpečnosti a spolehlivosti. Nevýhodami těchto baterií je nízká měrná energie (30 až 40 Wh/kg), malý výkon za nízkých teplot a malá životnost. Účinnost ukládání energie se pohybuje nad 80 % [ 1 ]. Proti využití tohoto typu baterie v hybridních vozidlech hovoří fakt, že při dobytí jakéhokoliv množství energie, proběhne jeden dobíjecí cyklus baterie. Takovýchto cyklů vykoná hybridní vozidla za den velmi mnoho, tudíž životnost olověné akumulátorové baterie by se počítala v řádu jednotek týdnů. 4.1.2 Nikl-kadmiové baterie (NiCd) Nikl-kadmiové baterie jsou používány v mnoha elektronických zařízeních, přestože byly vyvíjeny pro automobilové použití. Mají vyšší měrný výkon (40 60 Wh/kg) a delší životnost než-li olověné akumulátory. Jejich nevýhodou je pořizovací cena, na které se také podílí cena následného recyklování kadmia, které je velmi toxické. Nepříjemným aspektem je také vysoká hodnota samovybíjení, která však například v aplikaci u hybridního pohonu není hlavním výběrovým kritériem. Dalším problémem nikl-kadmiových baterií je jejich paměťový efekt. Ten se vyznačuje tím, že pokud dobíjíme zcela nevybitou baterii, tak se energetická kapacita baterie snižuje. Je tedy zapotřebí příležitostně nikl-kadmiovou baterii zcela vybít. 4.1.3 Nikl-metalhydridové baterie (NiMH) Baterie NiMH jsou běžně používané ve spotřební elektronice a patří na počátku 21. století k jednomu z nejčastěji používaných typů elektrochemických akumulátorových baterií. Některé jsou také s úspěchem používány v elektromobilech a dříve také v hybridních automobilech společnostmi Honda a Toyota. Měrný výkon je obdobný jako u niklkadmiových baterií, avšak měrná energie je vyšší (60 80 Wh/kg). Rychlost nabíjení malých baterií v domácích spotřebičích je nižší než-li u NiCd baterií, avšak u trakčních baterií určených pro hybridní vozidla bylo dosaženo akceptovatelných hodnot. Další negativní vlastností je zvýšená teplotní citlivost, která v praxi při aplikaci v trakční problematice implikuje potřebu kontinuální teplotní diagnostiky [ 1 ]. Dále v porovnání s NiCd bateriemi jsou baterie NiMH výrazně méně náchylné k paměťovému efektu, ale stále nedosahují v této oblasti vlastností olověných baterií. Negativním jevem je vysoké procento samovybíjení, které dosahuje hodnoty 30-ti procent za období jednoho měsíce. Recyklovatelnost NiMH baterií je z důvodu absence kadmia o mnoho lepší než u NiCd baterií. Hlavním problémem NiMH baterií je jejich vysoká cena, srovnatelná s NiCd bateriemi, která je dána cenou vstupních komponentů, resp. především niklu. - 19 -
4.1.4 Lithium-ionové baterie (Li-ion) Další typ baterií, které jsou běžně používány ve spotřebitelské elektronice. Jsou charakterizovány vysokým měrným výkonem a energií (80 150 Wh/kg). Dalšími výhodami jsou vysoká účinnost, nízká hodnota samovybíjení a recyklovatelnost je také akceptovatelná. Komerční využití je však stále závislé na vysoké výrobní ceně a krátké životnosti. Vývoj vedoucí k možnosti využití těchto baterií v hybridních vozidlech stále probíhá. Podobné vlastnosti mají i baterie lithium-polymerové (Li-Pol), které pracují na obdobném principu. 4.1.5 Sodík-nikl chloridové (Na-NiCl2) Tento typ baterií se řadí mezi vysokoteplotní baterie, tedy baterie využívající roztavenou sůl jako elektrolyt. Tento směr vývoje se zdá býti velmi perspektivním ve vývoji baterií. Baterie byla vynalezena již v roce 1985 a je spíše známá pod názvem baterie ZEBRA. Teplota tuhnutí elektrolytu je 157 C a pracovní teplota elektrolytu se pohybuje v rozmezí 270 až 350 C, což značně znesnadňuje konstrukci článků [ 18 ]. Tyto baterie se stejně jako baterie Li-ion vyznačují vysokým měrným výkonem a energií (90 120 Wh/kg). Předchozí parametry však kombinují s vynikající cyklovou životností, v porovnání s ostatními typy baterií, a také vysokou účinností. Nevýhodou tohoto typu je vysoká teplota elektrolytu, která snižuje bezpečnost při havárii baterie a také velmi nízká pohltivost energie při nabíjení. Přesto jde o baterie s vlastnostmi velice vhodnými pro trakční účely ve vozidlech. Jejich výrobní cena je avšak prozatím příliš vysoká. 4.1.6 Porovnání užitných vlastností Snaha o smysluplné porovnání výkonnosti jednotlivých typů baterií je velmi složitá. Mnoho z výše uvedených typů je stále ve fázi vývoje, takže je možno očekávat výrazné zlepšení užitných vlastností některých typů baterií. V Tab. 2 jsou uvedeny základní hodnoty charakterizující jednotlivé typy baterií. Z ní, a předešlých kapitol, vyplývá, že pro využití v hybridním pohonu vozidla se jeví jako vhodné baterie typu NiMH, popř. Na-NiCl2. Tab. 2 Charakteristiky některých typů akumulátorových baterií [ 18 ] Pb-PbO2 NiCd NiMH Li-ion Na-NiCl2 Energie [Wh/kg] 30 40 40 60 60 90 80 150 90 120 Trvalý výkon [W/kg] 75 120 110 220 180 Špičkový výkon [W/kg] 700 200 1000 2000 200 Vybíjení za měsíc [%] 8 20 30 10 0 Životnost [cykly] 500 2000 1500 800 1500 Účinnost [%] 70 80 80 85 90 Pracovní teplota [ C] 0 45 0 50-40 50-40 60 270 350-20 -
Obr. 9 Porovnání vlastností nejpoužívanějších typů baterií [ 18 ] 4.1.7 Nabíjení elektrochemických akumulátorových baterií V hybridních pohonech je z důvody snahy o uložení co největší části z rekuperované brzdné energie důležitým parametrem schopnost baterie rychle pohltit energii. Tato vlastnost se odvíjí od velikosti maximálního nabíjecího proudu. Ten se výrazně liší u jednotlivých typů baterií, pohybuje se od hodnoty 0,1.C (C kapacita baterie [Ah]) přibližně do 5.C. U olověných baterií se většinou udává hodnota nabíjecího proudu 0,2.C. Kritériem pro ukončení nabíjení je nárůst napětí na určitou úroveň, obvykle 2,3 V. Dále u niklových akumulátorů (NiCd, NiMH) je možno použít tzv. rychlonabíjení, tj. nabíjení proudem 1.C (u NiCd i více), toto nabíjení však nezbytně vyžaduje automatické ukončení nabíjení. Většinou se pro nabíjení používá metoda typu delta-peak, který ukončuje nabíjení zpravidla při poklesu napětí akumulátoru cca o 50 mv (NiCd) nebo 20 mv (NiMH). Nabíjecí zařízení baterií Li-ion musí být vybaveno řízením, jež zajišťuje, že nebude překročeno maximální povolené napětí 4,2 V na článek a maximální nabíjecí proud nepřekročí výrobci obvykle udávaných 0,7.C, v žádném případě ne více než 1.C. Co se týče vybíjení elektrochemických akumulátorových baterií, tak vybíjecí křivka je velmi plochá, tzn. pro akumulátory je typická malá změna napětí v průběhu cca 90 % doby vybíjení. Z tohoto důvodu je velmi obtížné zjišťovat okamžitý stav akumulátoru dle měřeného napětí na článcích baterie. - 21 -
4.2 Setrvačník Setrvačník je elektromechanický systém akumulování energie založený na principu kinetické energie rotujících hmot. Konstrukčně se tělo setrvačníku skládá z hřídele, na níž je integrován rotor setrvačníku a elektrický stroj. Společně tedy rotor setrvačníku s elektrickým strojem vytváří rotující hmotu, díky níž můžeme ukládat energii, která se převádí z elektrické na kinetickou a naopak. E I m 1 2 2 k = I m ω ( 1 ) E k kinetická energie I m moment setrvačnosti ω uhlová rychlost 1 = r 2 2 m r poloměr tělesa setrvačníku m hmotnost setrvačníku ( 2 ) Obr. 10 Schéma setrvačníku Když je elektrická energie transformována na kinetickou, pracuje elektrický stroj jako elektromotor, toto nastává v případě akumulace brzdné energie. Pokud rekuperovaná energie již nestačí na další urychlení setrvačníku, je elektromotor odpojen z obvodu. V případě potřeby akumulované energie je kinetická energie opět transformována na elektrickou, tzn. že elektrický stroj pracuje jako generátor. Vstupní a výstupní výkon je limitován typem použitého motoru / generátoru a také použitou výkonovou elektronikou. Díky jejímu nedávnému vývoji na poli IGBT a FET tranzistorů mohou být setrvačníky použity pro akumulaci energie v pohonech s velkými výkony a výkonovými špičkami v rozsahu od kilowattů po stovky megawatt. Rotující setrvačník avšak postupně ztrácí svou nabytou energii díky působení odporů v ložiskách, aerodynamickému odporu aj. Proto se např. odčerpává atmosféra uvnitř setrvačníku nebo se nahrazuje inertním plynem. Dále se mohou u stacionárních setrvačníků - 22 -
pro další snížení odporů použít elektromagnetická ložiska, která avšak u dopravních prostředků nepřicházejí v úvahu, proto je u nich užíváno valivých ložisek. Z rovnice ( 1 ) vyplývá, že množství akumulované energie závisí kvadraticky na úhlové rychlosti rotoru setrvačníku. Dále vyplývá z rovnice ( 2 ) taktéž kvadratická závislost momentu setrvačnosti na poloměru rotoru. Tedy hlavním parametrem setrvačníku je rychlost rotace rotoru a také poloměr rotoru. Hmotnost rotujících částí je tedy méně významná. Samozřejmě že rovnice ( 2 ) platí pro zjednodušený případ válcového rotoru setrvačníku, ale pro základní rozvahu je postačující. Z předchozího vyplývá, že je důraz kladen na úhlovou rychlost a rozložení hmot. Proto je u nejmodernějších setrvačníků rotor vyroben z karbonového kompozitu. Výhodou tohoto materiálu oproti oceli je lepší odolnost proti vzniku trhlin, která dovoluje použití vyšší úhlové rychlosti, odpovídající obvodové rychlosti cca 1,2 km/s. Nevýhodami karbonového kompozitu oproti oceli jsou relativně malá hustota a poměrně složitá výroba. Nepříznivým jevem pro zabudování setrvačníku do vozidla je gyroskopický efekt bránící natáčení osy rotace setrvačníku. Z tohoto důvodu se setrvačníky dosazují do vozidel v poloze s vertikální osou rotace. Životnost setrvačníku se udává okolo 5 miliónů cyklů, což odpovídá přibližně 20 letům provozu v aplikaci u kolejového vozidla. Tato hodnota životnosti je desetinásobně vyšší než u dnešních superkapacitorů, popř. ještě výraznější než u akumulátorových baterií. Hlavní parametry setrvačníku [ 22 ]: materiál rotoru setrvačníku kompozit (karbonové vlákno / pryskyřice) motor / generátor synchronní motor s permanentními magnety rychlost rotace rotoru 25 000 až 30 000 otáček/min. (minimum cca 12 500 ot./min.) energická kapacita 2 až 12 kwh, avšak pouze 75 % této energie lze využít energetická hustota 20 kwh/m 3 ztrátový výkon při chodu na prázdno 2,5 až 7 kw doba nabíjení / vybíjení střední (mezi superkapacitory a elektrochem. akumulátory) účinnost větší než 90 % výrobci např. Magnet-Motor GmbH Starnberg, WTZ Rosslau GmbH Setrvačníku (2kWh, 150 kw) se používá v městské autobusové dopravě již od roku 1988. V aplikaci v železničním provozu je možno setrvačník uplatnit v nestacionární formě, tedy ve vozidle, především v konstrukci regionálních vozidel s frekventovaným zastavováním (Coradia Lirex), popř. by se dalo uvažovat i o aplikaci v posunovacích lokomotivách. Z komerčního hlediska je ovšem zabudování setrvačníku stále velmi výraznou investicí. S nynějším rozvojem superkapacitorů, i přes jejich některé horší vlastnosti, je rozšíření setrvačníků jako akumulátorů energie nepravděpodobné. - 23 -
4.3 Superkapacitor Perspektivním akumulátorem energie je superkapacitor (neboli ultrakapacitor, dvouvrstvý elektrochemický kondenzátor). Je střední cestou mezi klasickými kondenzátory a elektrochemickými akumulátory. V principu jde o elektrolytický kondenzátor technicky upravený pro dosažení vysoké kapacity a krátkých vybíjecích a nabíjecích časů. Elektrody superkapacitoru tvoří práškový uhlík nanesený na hliníkovou fólii. Dvě elektrody jsou odděleny fólií z polypropylenu a prostor mezi nimi je vyplněn tekutým elektrolytem. Elektrické vlastnosti superkapacitorů se dají srovnat s elektrochemickými bateriemi. Malá hodnota vnitřního odporu umožňuje rychlé vybití a nabíjení. Špičkový výkon dodaný superkapacitorem dosahuje hodnot řádu kw/kg, přibližně desetinásobek oproti bateriím. Typický nabíjecí čas u superkapacitorů je mezi 6 až 300 sekundami. Pro uložení rekuperované brzdné energie se využívají superkacitory s maximální dobou nabíjení okolo 300 s. Elektrické parametry superkapacitoru jsou zachovány i při nízkých teplotách do -40 C a maximální provozní teplota se pohybuje do 105 C. Superkapacitory jsou ideální pro použití v aplikacích, kde je potřeba dodávat časově omezené špičkové proudy. Tato vlastnost je výhodná pro akumulaci energie vznikající při brzdění. Maximální napětí závisí na typu, pohybuje se v rozmezí 1,2 V až 3 V. Pro využití v trakčních obvodech vozidel je tedy potřeba, obdobně jako u baterií, spojovat prvky do sérií. Dodaná energie superkapacitorem se dá vyjádřit pomocí rovnice především počáteční a koncové napětí [ 24 ]. 1 E = C 2 2 2 ( U 0 U ) f ( 3 ) kde rozhodujícími parametry jsou ( 3 ) C kapacita kondenzátoru U 0 počáteční hodnota napětí U f efektivní koncová hodnota napětí (viz Obr. 11) Obr. 11 Průběh napětí a proudu při vybíjení - 24 -
Životnost superkapacitoru je definována poklesem kapacity na 80 % jmenovité hodnoty nebo zvýšením sériového odporu na dvojnásobek jmenovité hodnoty. Tyto hodnoty se mění každým nabitím a vybitím. Životnost superkapacitorů Maxwell je nejméně 500 tisíc cyklů, nové typy mají životnost milión cyklů. Je tedy o několik řádu vyšší než u akumulátorů. Samovolné vybíjení superkapacitorů, které je kromě ceny (v roce 2006 270 Kč/Wh) velmi kritizovanou vlastností, není při aplikaci ve vozidlech nepříznivou vlastností. K výrazným ztrátám dochází až při vyšších teplotách, viz Obr. 12. Hlavní parametry superkapacitorů: dlouhá životnost (0,5 až 1 milion cyklů) schopnost rychlého nabíjení a vybíjení (6 300 s) rozsah pracovních teplot (-35 C až 105 C) vysoká energetická a výkonová hustota (viz Tab. 3) výborná účinnost při nižších teplotách (do 20 C) Tab. 3 Porovnání parametrů olověné akumulátorové baterie a superkapacitoru [ 24 ] Olověná baterie Superkapacitor Běžný kondenzátor Nabíjecí čas 1 5 h 0,3 30 s 10-3 10-6 s Vybíjecí čas 0,3 3 h 0,3 30 s 10-3 10-6 s Energie (Wh/kg) 10 100 1 10 <0,1 Výkon (W/kg) < 1 000 < 10 000 < 100 000 Životnost 1 000 > 500 000 > 500 000 Účinnost 0,7 0,75 0,85 0,98 > 0,95 Obr. 12 Průběh úbytku napětí superkapacitoru v závislosti na teplotě [ 24 ] - 25 -
4.4 Hydraulický akumulátor Hydraulické akumulátory můžeme z jistého hlediska považovat za obdobu elektrických akumulátorů. I ony shromažďují energii, kterou v případě potřeby uvolňují do hydraulického systému. Rozdílem od elektrického akumulátoru je možnost úplného rychlého vybití akumulátoru. Ukládání kinetické energie vozidla při brzdění se v tomto případě děje do energie potenciální. Během akcelerace se tato energie opět využívá. Toho lze docílit pomocí hydrostatického převodu vybaveného hydraulickou jednotkou napojenou na převod vozidla, která během brzdění funguje jako hydraulické čerpadlo a během akcelerace jako hydraulický motor. Práce prováděná hydraulickou jednotkou při zpomalování vozidla se ukládá ve formě stlačeného plynu či jiného média v akumulátoru. Během akcelerace tento stlačený plyn pohání hydraulickou jednotku a zrychluje pohyb vozidla [ 13 ]. Hydraulický akumulátor je v podstatě nádoba, ve které se akumulace energie děje buď stlačováním pružiny nebo plynu případně se tlak v nádobě vyvozuje pístem. Podle konstrukce jsou rozeznávány tyto akumulátory: závažové, pružinové, plynové Plynové akumulátory pracují na pneumohydraulickém principu. Je v nich obsažen stlačitelný inertní plyn (nejčastěji dusík, jenž nezpůsobuje rychlé stárnutí oleje a je nehořlavý) sloužící k akumulaci tlakové energie kapaliny. Plynové akumulátory dělíme [ 13 ]: pístové do 400 dm 3 a 35 MPa vakové do 200 dm 3 a do 35 MPa membránové do 200 dm 3 a do 35 MPa plynové akumulátory s přímým stykem plynu a kapaliny pro velké objemy a tlaky až do 45 MPa Hydraulický akumulátor energie je možno využít v pohonech vozidel silničních i železničních. Nejčastěji je využíván v mechanických pohonech nákladních automobilů. V konstrukci nákladních vozidel je dnes technologie hydraulických akumulátorů používána společností Bosch Rexroth AG, která u těchto vozidel využívá rekuperačního brzdění. Dále jsou také vybaveny funkcí motoru start/stop, která také snižuje energetickou náročnost vozidla. Společnost garantuje u takto vybavených vozidel úsporu paliva do 30 %. V železničním průmyslu se tímto způsobem akumulace energie a jeho využitím v hybridním pohonu zabývá společnost Voith Turbo GmbH, která se zabývá vývojem a výrobou hydrodynamických převodů a vozidel s tímto přenosem výkonu. Tato společnost vyvinula pohon EcoPack, do něhož zabudovala kromě využívání tepla spalin SteamDrive k dalšímu zvyšování výkonu, také systém HydroBrid, který umožňuje akumulaci rekuperované brzdné energie do hydraulických akumulátorů. - 26 -
4.5 Porovnání jednotlivých typů akumulátorů energie Při výběru vhodného akumulátoru energie pro danou aplikaci do kolejového vozidla je možno brát jako nejdůležitější parametry měrný výkon [W/kg] a měrnou energii [Wh/kg], viz Obr. 13. Je potřeba především, aby akumulátor svým výkonem dostačoval k pokrytí špičkového výkonu vozidla při jeho akceleraci, resp. při rekuperačním brzdění. Dále je na úvaze u konkrétního vozidla zdali akumulátor energie svou hmotností zhorší dynamické vlastnosti vozidla či naopak přispěje k zvýšení adhezní hmotnosti vozidla, např. u posunovacích vozidel. Při vzájemném porovnání jednotlivých typů akumulátorů energie použitelných ve vozidle s elektrickým přenosem výkonu lze říci, že nevyužívanější elektrochemické akumulátorové baterie se sice vyznačují (podle typu) vysokou měrnou energií, ale jejich měrný výkon je podstatně nižší v porovnání se setrvačníkem nebo superkapacitorem. Hmotnostně lépe vychází tedy setrvačník, kdy setrvačník o hmotnosti 150 kg má stejnou kapacitu jako 600 kg olověných baterií. Další výhodou je dlouhá životnost. Nevýhodami setrvačníku jsou jeho výrobní náklady a problémy s ložiskováním, které mají za důsledek větší ztráty. Není ho možno tedy s konvenčními ložisky využít pro delší uskladnění energie. Jeho použití je vhodné ve vozidlech s častým střídáním rozjezdu a brzdění. Nejvýhodnějším typem akumulátoru energie pro akumulaci energie při špičkových výkonech jsou superkapacitory, které mají vysoký měrný výkon, avšak při relativně nižší měrné energii. Jejich nevýhodou je především cenová hladina na níž se pohybují. Z možných alternativ je tedy potřeba volit vždy podle dané aplikace. U posunovacích lokomotiv, je výhodná kombinace elektrochemických akumulátorových baterií, které by plnily funkci hlavního akumulátoru, se superkapacitory schopnými akumulovat energii ve výkonových špičkách. Obr. 13 Rozdělení akumulátorů energie [ 7 ], [ 20 ] - 27 -
5 Přehled aplikací hybridního pohonu Hybridní pohony jsou již několik let aplikovány v konstrukci kolejových vozidel. Jedno století stará myšlenka hybridního pohonu se tedy teprve s vývojem elektrochemických akumulátorových baterií či elektrostatických superkapacitorů stala konkurenceschopná. Dřívější akumulátory energie bojovaly s nízkou účinností, velkou měrnou hmotností na množství uložené energie a také vysokými pořizovacími náklady. Teprve s nedávným technickým pokrokem nových výkonových elektronických prvků je možná účinná regulace výkonu. 5.1 ČKD posunovací lokomotiva TA436.0 (718) V roce 1986 byl v ČSSR postaven prototyp čtyřnápravové hybridní posunovací lokomotivy pod označením TA436.0501 (později 718.501). Tento prototyp měl za úkol potvrdit životaschopnost principu hybridního pohonu v konstrukci posunovacích lokomotiv. Výkonové parametry lokomotivy byly navrženy odpovídající lokomotivám řady T457.0 (730), jejichž výroba právě probíhala, aby bylo možno v provozu porovnat hybridní prototyp s konvenčními lokomotivami. Hlavní parametry lokomotivy řady 718 [ 14 ]: Hmotnost...64 t Max. rychlost...60 km/h Ekvivalentní výkon...600 kw Naftový motor...liaz M637 Výkon...189 kw Trakční baterie...nks 300 Počet článků...480 Druh...nikl-kadmiové Výkon...400 kw (krátkodobě) Energetická kapacita...172,8 kwh Jmenovité napětí...576 V Jmenovitá kapacita...300 Ah Hmotnost...11,5 t Tab. 4 Porovnání spotřeby paliva na posunech zálohy v ŽST Olomouc [ 14 ] Spotřeba paliva dm 3 /h Druh posunu Poměr spotřeb 730 (T457) 718 (TA436) Posun na pahrbku 14,92 13,09 0,88 Odrazy a rozvoz zátěže 13,62 10,33 0,76 Přísun k pahrbku 23,53 25,56 1,09 Přetahy zátěže 12,87 10,86 0,84-28 -
Z výsledků zkoušek v posunové službě v ŽST Olomouc se ukázalo, že trakční vlastnosti jsou obdobné s lokomotivami řady T457.0. Prototyp byl schopný krátkodobě pracovat jako dieselelektrická lokomotiva o výkonu 600 kw. Dynamika posunu prototypu byla velmi dobrá, lokomotiva disponovala značným nárůstem síly a výkonu při rozjezdu, a to především díky vlastnostem akumulátorové baterie. Dále byl prototyp TA436.0 první posunovací lokomotivou u ČSD vybavenou elektrodynamickou brzdou, která potvrdila značné výhody elektrodynamické brzdy v provozu na posunu. Docházelo kromě značného snížení opotřebení zdrží a snadného ovládání vozidla, také ke zkrácení zábrzdných drah lokomotivy, což zefektivňovalo posun. Lokomotiva řady TA436.0 byla schopna v provozu na posunu nahradit řadu T457.0 ve všech druzích posunu. Náhrada však nebyla efektivní v oblasti monotónního posunu na svažném pahrbku, kde se nemohly objevit výhody rekuperačního brzdění a pohon dlouhodobě pracoval v oblasti vyššího výkonu. Nejvíce se hybridní lokomotiva osvědčila při přestavovacím posunu, tedy v takovém provozu, kde se často střídaly rozjezdy s brzděním na krátké dráze. Zde byla dosahována úspora paliva až 24 %, více viz Tab. 4 [ 14 ]. Obr. 14 Trakční obvod lokomotivy TA436.0 Obr. 15 Lokomotiva 718 na brněnském výstavišti v roce 1989 [ 16 ] - 29 -
5.2 RailPower lokomotivy GreenGoat a Green Kid Ve Spojených státech amerických se společnost RailPower Technologies Corporation zabývá rekonstrukcemi diesel-elektrických lokomotiv, zejména posunovacích, jejichž průměrné stáří v severní Americe dosahuje 30 až 40 let. Jedná se o lokomotivy o výkonech od 500 do 2000 kw. Jedná se o radikální rekonstrukci, kdy z původní lokomotivy (GP9, GP30, ) zůstává pouze hlavní rám a pojezd. Na původní rám dochází k osazení nového hnacího spalovacího motor-generátoru, ventilem řízených olověných baterií (zapouzdřené akumulátory se zamezením ztrát elektrolytu) a výkonové elektroniky IGBT, která umožňuje individuální řízení dvojkolí. Lokomotivy také projdou kompletní rekonstrukcí kapotáže, čímž se zlepší výhledové poměry ze stanoviště strojvedoucího[ 26 ]. Hlavní parametry lokomotiv RailPower [ 17 ]: Lokomotiva...GG20B Green Goat...GK10B Green Kid Hmotnost...127 t...112,5 t Max. rychlost...96,5 km/h...48,3 km/h Ekvivalentní výkon...1 400 kw...700 kw Naftový motor...caterpillar C9...Deutz TD226B-6 Výkon...200 kw...90 kw Trakční baterie Druh...ventilem řízené olověné baterie Akumulovaná energie...720 kwh...360 kwh Jmenovité napětí...600 V...300 V Jmenovitá kapacita...1 200 Ah...1 200 Ah Rekonstrukcí dosažené výhody lokomotiv RailPower: Snížení spotřeby paliva o 40 až 60 %. Podstatné snížení znečištění životního prostředí, díky redukci emisí oxidů dusíku o 80 až 90 % a prachových částic. Snížení hluku vozidla. Obr. 16 Princip toku energie v lokomotivách RailPower Technologies Copr. - 30 -
V letech 2004 a 2005 bylo provedeno společností IDC Distribution Service Inc. roční měření na hybridní lokomotivě GK10B Green Kid a konvenční lokomotivy EMD SW900. Lokomotivy řady SW900 byly vyráběny v letech 1953 až 1969 o celkovém počtu 260 kusů. Jsou poháněny 8-válcovým motorem EMD 567 C, který jim dává výkon 670 kw. Oba typy lokomotiv byly nasazeny v posunové službě, kde se za roční provoz ukázala u hybridního stroje 53% úspora paliva oproti konvenčnímu stroji. V produkci škodlivin do ovzduší došlo také k jednoznačně kladnému výsledku ve prospěch hybridní lokomotivy, kde poměr činil 55 %. Další výsledky jsou uvedeny v Tab. 5. Je však otázkou nakolik jsou výsledky zkoušek ovlivněny technickou zastaralostí lokomotiv SW900 a nakolik je úspora paliva způsobena principem a provedením hybridního pohonu na lokomotivě GK10B. Třetím kladným přínosem bylo také výrazné snížení emise hluku v posunové službě a to i přesto, že menší motor v lokomotivě GK10B byl velmi často v běhu na dobíjení baterií i při odstavení lokomotivy. Tab. 5 Porovnání spotřeby paliva a emisí škodlivin [ 26 ] Standardní SW900 Hybridní GB10B Green Kid Ujetá vzdálenost [km] 1010 1086 Doba provozu [h] 2269 2 347 Spotřeba paliva [l] 84 523 39 549 Emise CO2 [kg] 230 747 107 968 Emise CH4 [kg] 292 136 Emise N2O [kg] 27 521 12 877 Celkem (ekvivalent CO2) [kg] 268 560 120 981 Obr. 17 Posunovací lokomotiva Green Goat společnosti NYSW (foto: Pisani R.) - 31 -
5.3 Bombardier systém MITRAC Tento systém umožňující zefektivnit ekonomiku provozu lehkých příměstských jednotek snížením energetické náročnosti vozidla až o jednu třetinu byl vyvinut společností Bombardier Transportation. Systém MITRAC je založen na superkapacitorech jako nosičích akumulované energie. Superkapacitory jsou doplněny o prvky IGBT, které umožňují řízené nabíjení a vybíjení superkapacitorů dle provozních podmínek vozidla [ 27 ]. Testování tohoto systému probíhalo čtyři roky v městské dopravě v Mannheimu na vozidle GTN6. Systém MITRAC je umístěn na střeše vozidla a je paralelně připojen na DC obvod trakčního DC/AC měniče dvou motorů. Takto je osazena pouze polovina vozidla, aby bylo možno provést porovnání účinnosti systému MITRAC a klasické rekuperace do trolejového vedení. Akumulátor energie MITRAC u tohoto vozidla je schopen dodávat vozidlu výkon 300 kw, při hmotnosti 477 kg a rozměrech 1 900 x 950 x 455 mm. Chlazení akumulátoru MITRAC je nuceně vzduchem. Hlavní parametry jednotky GTN6 se systémem MITRAC [ 10 ]: Hmotnost...35,8 t Výkon motorů...380 kw Parametry superkapacitorů...systém MITRAC Počet superkapacitorů...640 (160 zapojených do série) Maximální výkon...300 kw Akumulovaná energie...850 Wh (využitelnost 75 %) Jmenovité napětí...400 V Hmotnost...477 kg Obr. 18 Umístění systému MITRAC na střeše vozidla GTN6 [ 10 ] - 32 -
Výsledky rozsáhlých zkoušek prototypu ukázaly velkou podobnost s očekávanými hodnotami. Na Obr. 19 je znázorněn průběh rychlosti a odebíraného výkonu z troleje, popř. z akumulátoru energie. Jedná se o ekvivalentní výkon na jeden trakční motor o výkonu 85 kw. V případě jízdy bez akumulátoru energie se při brzdění jen velmi malé množství rekuperované energie cca 35 % je schopno vrátit zpět do trolejového vedení. Naproti tomu vozidlo s akumulátorem energie odebírá při rozjezdu z troleje pouze okolo 50 kw (60 %), zbytek je dodán z akumulátoru. Také při rekuperaci brzdné energie je větší část energie uložena do akumulátoru a zbylá část je vrácena zpět do troleje. Dále při nezávislém běhu vozidla, tj. při staženém sběrači, bylo dosaženo na dráze 500 m rychlosti 26 km/h. Společnost Bombardier plánuje dosadit tento systém i do nově vyráběných čtyřvozových diesel-elektrických jednotek. Systém MITRAC o kapacitě 1 800 Faradů by měl mít schopnost akumulovat 9 kwh energie při 72% využitelnosti. Cílem tohoto kroku je snížení energetické náročnosti vozidla o 25 40 % a zvýšení měrného výkonu z 8,2 kw/t na 9 kw/t při celkovém výkonu jednotky 2 x 662 kw. Takováto jednotka by měla být schopna dosáhnout větší akcelerace při rozjezdu přibližně o 20 %. Dále je s tímto systémem možno využít vypínání dieselového motoru např. ve stanicích za účelem snížení hlučnosti [ 27 ]. Obr. 19 Měření bez (vlevo) a bez (vpravo) systému MITRAC do rychlosti 50 km/h [ 10 ] Obr. 20 Trakční obvod vozidla s akumulátorem energie MITRAC [ 10 ] - 33 -